«بامداد» به سرس رسید

سرانجام آخرین جرم از اجرام بزرگ منظومه شمسی ما که تاریخچه کشف آن به قرن نوزده میلادی برمی‌گردد نیز هم‌اینک، در نیمه دهه دوم از قرن بیست و یکم، میزبان سفیری از زمین شد: مدارگرد بامداد (Dawn)، متعلق به سازمان فضایی ایالات متحده (ناسا)، پس از سفری هشت‌ و نیم‌ساله و طی مسیری بالغ بر ۴ میلیارد و ۹۰۰ میلیون کیلومتر، هم‌اینک در مدار سیاره کوتوله «سرس» وارد شده است. این مدارگرد در اواسط مردادماه سال گذشته، مدار سیارک «وستا» را پس از چهارده ماه توقف در این نخستین ایستگاه سفرش، به سمت سرس ترک گفته بود.

«وقتی سرس‌ کشف شد ابتدا به‌عنوان یک سیاره شناخته می‌شد، بعد یک سیارک، و بعد‌تر هم یک سیاره کوتوله». این را مارک ریمان، سرمهندس و مدیر مأموریت بامداد در پایگاه پژوهشی JPL ناسا در اشاره به تاریخچه پرافت و خیز نام‌گذاری این جرم می‌گوید. در واقع جستجوهایی که به کشف سرس در اوایل قرن نوزدهم انجامید، ابتدا به اعتبار «سیاره» بودن این جرم بود که انجام پذیرفت. بد نیست که در مطلع این مطلب، اشاره‌ای به ماجرای پرافت‌ و خیز کشف سرس داشته باشیم.

در جستجوی «سیاره هشتم»

در سال ۱۷۸۱ میلادی بود که ویلیام هرشل، اختر‌شناس انگلیسی، در جریان نقشه‌برداری‌های مستمری که به‌منظور فهرست‌بندی ستاره‌های دوتایی صورت می‌داد، تصادفاً موفق به کشف جرم سبزفامی شد که هم‌اینک آن را اورانوس می‌نامیم.

کشف هرشل، شمار سیارات شناخته‌شده منظومه‌مان را به هفت عدد ارتقا بخشید. اما مختصات مداری این سیاره جدید، جایگاهش را بیش‌وکم در‌‌ همان محدوده‌ مداری‌ای نشان می‌داد که دو اختر‌شناس آلمانی، مدت‌ها قبل‌تر، آن را مستقلاً از طریق یک رابطه ریاضی ساده پیش‌بینی‌ کرده بودند: یوهان تیتیوس (Johann Ttitius) و یوهان بوده (Johann Bode)، متوجه وجود رابطه‌ای ریاضی – که امروزه به رابطه «تیتیوس-بوده» مشهور شده – بین فاصله سیارات منظومه‌مان از خورشید شده بودند: چنانچه عدد ۲ را به توان شماره سیارهٔ مدنظر (به ترتیب قرارگیری آن از سمت خورشید، و با شروع از عدد صفر به جای سیاره زهره) برسانیم، سپس آن را پس از ضرب کردن در عدد ۳، به عدد ۴ بیافزاییم و نهایتاً عدد حاصله را بر ۱۰ تقسیم کنیم، فاصله آن سیاره بر حسب ضریبی از «واحد نجومی» (معادل یک‌بار فاصله زمین از خورشید) به دست خواهد آمد.

مثلاً مشتری پنجمین سیاره از خورشید است و طبق این رابطه می‌بایستی فاصله‌اش تا خورشید ۸ / ۲ واحد نجومی باشد. اما فاصله واقعی مشتری تا خورشید، ۲ / ۵ واحد نجومی است. با این‌همه چنانچه فرض بگیریم که یک سیاره گمشده در حدفاصل سیارات مریخ و مشتری واقع شده، آن‌وقت این رابطه نه ‌تنها در مورد مشتری، بلکه در مورد دو سیاره بعدی آن (یعنی زحل و اورانوس) هم مصداق پیدا خواهد کرد.

اعتماد به صحت داشتن این رابطه ریاضی، و لذا احتمال وجود یک سیاره گمشده در حدفاصل مریخ تا مشتری، یوهان بوده را به اتفاق پنج اختر‌شناس آلمانی دیگر بر آن داشت تا نسبت به برنامه‌ریزی یک پویش گسترده از آسمان شب اقدام کنند (از آنجاکه این اختر‌شناسان در شهر لیلینتال آلمان تشکیل جلسه دادند، از این گروه با عنوان «حلقه لیلینتال» نیز یاد می‌شود). آن‌ها با تقسیم آسمان به ۲۴ قسمت مساوی، و ارسال نامه‌هایی به هجده اختر‌شناس برجسته اروپا (از جمله دانیل ملاندرهلم در سوئد، یوهان بورگ در اتریش، یروم لالانده در فرانسه، ویلیام هرشل در انگلستان، و جوزپه پیاتسی در ایتالیا)، مسئولیت پویش هرکدام از این قسمت‌های آسمان را به یک اختر‌شناس کارکشته سپردند.

از طرفی گئورگ ویلهلم فردریش هگل (پیش از آن‌که به فیلسوف نام‌آشنایی بدل شود)، در بخشی از آنچه می‌توان امروزه «تز دکترا» ی وی نامید (تحت عنوان «رساله‌ای فلسفی در باب مدارات سیاره‌ای»)، کوشید احتمال وجود یک سیاره گمشده در حدفاصل مریخ و مشتری را با جایگزینی دنباله‌اعداد افلاطونی به جای دنباله‌اعداد حسابی در نحوه شمارش سیارات، رد کند. در بخش سوم رساله هگل می‌خوانیم:

«در شرایطی که تغییر مکان سیارات حاکی از [وجود] یک تصاعد حسابی است که در آن متأسفانه هیچ سیاره‌ای در طبیعت در تناظر با پنجمین عدد از این دنباله نیست، این‌طور تصور شده که در حدفاصل مریخ و مشتری واقعاً سیاره‌ای پنهان از دید ما وجود دارد که در فضا حرکت می‌کند. هم‌اینک مشتاقانه پی این [سیاره] می‌گردند». سپس هگل تعبیر خود از این دنباله – که امکان وجود سیاره هشتم را منتفی می‌شمرد – اینچنین بیان می‌دارد:

«از آنجاکه این تصاعد، حسابی است و پیرو دنباله‌ای نیست که فی‌نفسه مولد این اعداد باشد (یعنی از طریق توان‌ها)، هیچ‌گونه اهمیت فلسفی‌ای نیز ندارد. کار مبسوط فیثاغوریان در باب ارتباط بین اعداد فلسفی را همه خوب می‌دانند؛ و لذا من هم‌اینک دنباله سنتی اعدادی را مدنظر می‌گیرم که در دو متن از [خلال رساله] تیمائوس [افلاطون] آمده‌اند. چراکه هرچند تیمائوس اشاره‌ای به سیارات نمی‌کند، بر این نظر است که جهان‌آفرین، جهان را مطابق این دنباله خلق کرده است. این دنباله عددی، از این قرار است: ۱، ۲، ۳، ۴، ۹، ۱۶، ۲۷، البته چنانچه به جای ۸ که در تیمائوس آمده، [عدد] ۱۶ را مدنظر بگیریم. اگر این دنباله واقعاً نظم حقیقی طبیعت را به مثابه یک دنباله حسابی عرضه کند، آنگاه فضای [حقیقتاً] فراخی مابین مکان‌های چهارم و پنجم [از این دنباله] وجود دارد که به نظر نمی‌رسد سیاره‌ای در آن گمشده باشد».

هگل در ۲۷ اوت ۱۸۰۱ از رساله‌ خود در دانشگاه ینا دفاع کرد؛ بی‌خبر از آن‌که «سیاره هشتم» در شب اول ژانویه ۱۸۰۱ کشف شده بود. جوزپه پیاتسی، پیش از آنکه حتی دعوت‌نامه اختر‌شناسان حلقه لیلینتال را دریافت دارد، در یازدهمین سال نقشه‌برداری‌های خود از آسمان، تصادفاً جرمی را در صورت فلکی ثور تشخیص داده بود که حرکتی بی‌سابقه را در پس‌زمینه ستارگان به نمایش می‌گذاشت. رصدهای پیگیرانه پیاتسی به مدت ۴۱ شب ادامه یافت تا این‌که بروز ذات‌الریه شدید ناشی از این شب‌زنده‌داری‌های زمستانی، مانع از ادامه کارش شد. در همین مجال، او خبر کشف این جرم نامتعارف را به اطلاع دوستان اختر‌شناس خود بارنابا اوریانی در شهر میلان، و نیز یروم لالانده در فرانسه، و یوهان بوده در آلمان رساند.

بوده که خود در تدارک ارسال دعوت‌نامه‌ای به پیاتسی بود، شگفت‌زده از اطلاعات ارسالی وی دریافت که جرم کشف‌شده فاصله‌ای دقیقاً معادل ۸ / ۲ واحد نجومی از خورشید دارد. با این‌همه، تنها شواهد موجود از رصد این جرم،‌‌ همان اطلاعات ضمیمه به نامه پیاتسی بود، و با توجه به فاصله زمانی شایان توجهی که صرف جابجایی نامه‌ها در اروپای اوایل قرن نوزدهم می‌شد، بوده از جایگاه کنونی این سیاره در آسمان اطلاعی نداشت تا شخصاً نسبت به رصد آن اقدام کند. لذا در پاسخ به پیاتسی از وی خواست تا مختصات دقیق‌تر مدار این «سیاره» را محاسبه کند و در اختیارش قرار دهد.

اما طول دوره نقاهت پیاتسی برای تغییر مکان قابل توجه این جرم در آسمان کفایت می‌کرد و او از پی بهبودی‌اش دیگر موفق به جانمایی جرمی که سرزده به میدان دید تلسکوپش وارد شده بود، نشد. تمام رصدهای موجود از جابجایی مداری این جرم، تنها ۳ درصد از مدارش را پوشش می‌داد و این مقدار برای استخراج مختصات مداری (و لذا پیش‌بینی مکان فعلی) آن از طریق ریاضیات معمول آن دوره کفایت نمی‌کرد. از طرفی درخشندگی ظاهری ناچیز این جرم، آن را شبیه به ستاره‌های پس‌زمینه می‌کرد و نمی‌شد ماهیت غیرستاره‌ای آن را با رصدهای کوتاه‌مدت هم مشخص ساخت. حتی اختر‌شناس برجسته‌ای همچون ویلیام هرشل که سه دهه پیش‌ از آن موفق به کشف سیاره اورانوس شده بود، در بازکشف «سیاره هشتم» از در ناکامی درآمد.

معضل پیش‌آمده، ریاضیدان ۲۳ساله آلمانی، کارل فردریش گاوس را واداشت تا دست‌به‌کار تدوین روشی برای پیش‌بینی مکان یک سیاره با کمترین اطلاعات مداری ممکن شود. او پس از ماه‌ها تجزیه و تحلیل، محصول کار بی‌سابقه‌اش را در اختیار بارون فون‌زاخ (یکی از اختر‌شناسان حلقه لیلینتال) نهاد تا این جرم گریزپا، دقیقاً یک روز مانده به نخستین سالگرد کشف پیاتسی (و تنها با اختلاف ۱ درجه از مکان پیش‌بینی گاوس)، برای دومین بار آشکار شود – جرم بحث‌برانگیزی که امروزه آن را تحت عنوان سرس می‌نامیم.

روش تحلیل آماری گاوس، دهه‌ها بعد‌تر به کار کشف سیاره نپتون نیز آمد؛ هرچند که کشف نپتون در فاصله‌ای غیر از فاصله پیش‌بینی‌شده در رابطه تیتیوس-بوده، عمومیت این رابطه را از اعتبار انداخت.

 سیمای «مرطوب» سیاره‌ای در دوردست

کشف ناخواسته پیاتسی، مقدمه‌ای شد برای سایر کشفیات اختر‌شناسان حلقه لیلینتال مبنی بر وجود دست‌کم دو جرم سرگردان دیگر که از قضا هر دو در حدفاصل مریخ و مشتری واقع شده‌اند: سیارک‌های جونو و وستا. کشف شمار بیشتری از این اجرام، رفته‌رفته اختر‌شناسان را به وجود «کمربند» ی از ‌سیارک‌‌ها با میزبانی از هزاران نوع از این اجرام سرگردان متقاعد ساخت که همگی در حدفاصل این دو سیاره واقع‌ شده‌اند – کمربندی که بزرگ‌ترین عضو آن‌‌ همان سرس، با قطر متوسط ۹۵۰ کیلومتر است.

از زمان کشف سرس تاکنون، جملگی اطلاعات علمی موجود از این جرم نسبتاً بزرگ منظومه‌مان به رصدهای تلسکوپی از (مدار) زمین محدود می‌شد؛ اطلاعاتی از این قبیل که: درون سرس – برخلاف سیارکی نظیر وستا – عملاً مراحل لایه‌بندی را طی کرده است و هم‌اینک واجد یک هسته سنگی و یک گوشته یخی (متشکل از مخلوط یخ‌آب و کانی‌های هیدراته‌ همچون کربنات‌ها و خاک رس) است؛ و نیز این‌که سرس، به نحو غیرمنتظره‌ای از منابع سطحی گسیل بخار آب میزبانی می‌کند. حال انتظار می‌رود تا با ورود کاوشگر بامداد به مدار سرس، تحول گسترده‌ای در شناخت سیاره‌شناسان از این جرم مرموز منظومه‌مان ایجاد گردد.

اهمیت درک ساختار سیارک‌ها را بایستی در دلالت‌هایی جست که به فهم بهتر تاریخچه منظومه شمسی دارند: با توجه به سن منظومه‌ ما، قاعدتاً سیاره‌های اورانوس و نپتون نمی‌توانسته‌اند در فواصل فعلیشان از خورشید ایجاد شده باشند، و تصور می‌رود ابتدا در فواصلی نزدیک‌تر – حوالی مدار زحل و مشتری – تشکیل شده بوده‌اند و طی فرآیندی ناشناخته به فواصل دور‌تر کوچیده‌اند.

این کوچ مداری، منجر به ایجاد تحولاتی در الگوی چیدمان مدار سیارک‌ها شده که درک این الگو می‌تواند دریچه‌ای را فراروی تاریخچه منظومه شمسی بگشاید. مثلاً نخستین سازه‌های یخی منظومه ما (متشکل از یخ‌های آب، آمونیاک، و متان) با توجه به وضعیت گرمایی منظومه در سنوات نخستین عمر آن، ابتدا در خارج از محدوده‌ای موسوم به «خط شبنم» (که در جایی مابین کمربند سیارک‌ها و مدار مشتری واقع شده) ایجاد شده‌ بوده‌اند و لذا این سؤال مطرح می‌شود که آب موجود در سیاره‌های داخلیتر از این خط (نظیر قطبین مریخ، و از آن مهم‌تر آب زمین) از کجا آمده است؟

از آنجاکه سرس نیز از مقادیر فراوانی یخ ایجاد شده است و در عین حال هم مدارش در خارج از خط شبنم واقع شده، «آب» موجود در این سیاره کوتوله می‌تواند شاخص ارزشمندی برای ارزیابی پیشینه آب در منظومه‌مان تلقی شود. برعکس، سیارک وستا که نخستین مقصد کاوشگر بامداد در سال‌های ۲۰۱۱ به شمار می‌رفت، از خشک‌ترین و احتمالاً قدیمی‌ترین سطوح منظومه شمسی، و میزبان یک پوسته بازالتی است. پیدایش وستا و سرس در شرایطی کاملاً متفاوت رقم خورده، و شانس بررسی این دو جرم نادر منظومه شمسی در چارچوب یک مأموریت فضایی را می‌توان از نقاط قوت منحصربه‌فرد مأموریت بامداد تلقی کرد.

۲۰۱۵: سال ملاقات با سیاره‌های کوتوله

سرس هم‌اینک در چارچوب شاخصه‌های جدید اتحادیه بین‌المللی اختر‌شناسی (IAU)، که در سال ۲۰۰۶ به تصویب اخترشناسانی از ۷۳ کشور جهان رسید، در کنار اجرامی نظیر پلوتو و اریس، ذیل عنوان «سیاره کوتوله» (dwarf planet) شناخته می‌شود. طبق تعریف IAU، یک سیاره کوتوله، «جرمی آسمانی است که ۱) در مداری به گرد خورشید واقع شده؛ ۲) به‌ اندازه کافی جرم دارد تا نیروی جاذبه‌اش بر نیروهای صلب می‌دانی غلبه کند و به وضعیت تعادل هیدرواستاتیکی (یا به شکل کروی) برسد؛ ۳) محیط مداری پیرامون‌اش را پاک‌سازی [گرانشی] نکرده باشد؛ و ۴) یک قمر نباشد».

کاوشگر بامداد هم‌اینک در شرایطی به مدار سرس وارد شده که تا کمتر از پنج ماه دیگر، کاوشگر «افق‌های نو» (New Horizons) ناسا نیز از کنار منظومه پلوتو (متشکل از پلوتو و پنج قمرش) خواهد گذشت؛ ملاقاتی به‌یادماندنی با جرمی که حتی با پیشرفته‌ترین تلسکوپ‌های زمینی هم نمی‌توان جز نماهایی محو و مبهم از آن حاصل کرد.

بهترین و پرمشغله‌ترین فرصت «افق‌های نو» برای نقشه‌برداری از منظومه پلوتو از پی ۹ سال سفر بین‌سیاره‌ای‌ این کاوشگر، برخلاف بامداد (که دست‌کم یک سال را در مدار سرس خواهد گذراند)، تنها «یک روز» است؛ چراکه این کاوشگر تیزپرواز با سرعت سرسام‌آور ۱۴ کیلومتر بر ثانیه از کنار پلوتو عبور خواهد کرد. نیروی واکنشی لازمه برای اعمال یک ترمز مداری و ورود به مدار جرم کوچکی همچون پلوتو، مصرف هزاران لیتر سوخت را می‌طلبد و این عملاً در توان این کاوشگر نسبتاً کوچک نیست. اما همین ملاقات کوتاه قطعاً انقلابی را در شناخت بشر از دور‌ترین و سرد‌ترین اعضای منظومه‌مان رقم خواهد زد.

بامداد و افق‌های نو، هر دو در طول مسیرشان از «مانور قلاب‌سنگ» به منظور کسب شتاب لازمه در عین صرفه‌جویی در مصرف سوخت خود استفاده کرده‌اند؛ مانوری که طی آن، بامداد از شتاب گرانشی مریخ و وستا، و افق‌های نو نیز از شتاب گرانشی مشتری سود جست تا بدین‌وسیله سرعت مداریشان را به نحو بهینه‌ای تقویت کنند. اما منبع تأمین انرژی الکتریکی این دو فضاپیما کاملاً متفاوت است: بامداد از پنل‌های بلند خورشیدی به‌منظور تأمین برق لازمه برای فعالیت‌های خود از جمله فعال‌سازی یک «موتور یونی» بهره می‌جوید (موتوری با کنش بسیار اندک اما مستمر – بعضاً به مدت چندین ماه – که رویهمرفته بازده چشمگیری دارد)، و افق‌های نو از سامانه RTG (مخفف «ژنراتور گرما-الکتریکی رادیوایزوتوپی»)، که انرژی خود را از واپاشی ترکیب رادیواکتیو اکسید پلوتونیم ۲۳۸ تأمین می‌کند.

از آنجاکه مدار بامداد، آن را هم‌اینک در سمتی از سرس قرار داده که تا اواسط ماه آوریل از نور آفتاب بی‌بهره خواهد بود، انتظار می‌رود اولین عکس‌های نمای نزدیک از این نزدیک‌ترین سیاره کوتوله به ما، در آن تاریخ منتشر شوند.

توضیحات تصاویر:  

۱- مقایسه شفاف‌ترین تصویر تلسکوپ فضایی هابل (چپ)، و مدارگرد بامداد (پیش از ورود به مدار) از سیمای سرس. منشأ دو نقطه درخشان دیده‌شده در تصاویر اخیر بامداد از سرس، از داغ‌ترین معماهای این چند روز سیاره‌شناسان است.

۲- گراوری از نیمرخ جوزپه پیاتسی، کاشف سرس (مربوط به سال ۱۸۱۳)، اثر سی. ترنر

۳- طرحی از کاوشگر بامداد در مسیر ملاقات با سرس. دنباله سبزرنگ انتهای کاوشگر، اشاره به گاز برانگیخته خروجی از موتور یونی این کاوشگر دارد.